Mạ Composite Ni-Al203 giải pháp kỹ thuật nâng cao khả năng chống mòn của lớp mạ Ni

Nguyễn Đăng Bình và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 78(02): 12 - 16<br /> <br /> MẠ COMPOSITE Ni-Al2O3 GIẢI PHÁP KỸ THUẬT<br /> NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHỐNG MÕN CỦA LỚP MẠ Ni<br /> Nguyễn Đăng Bình, Phan Quang Thế*, Trần Minh Đức<br /> Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Mạ composite Al2O3 trên nền Ni là một giải pháp công nghệ bề mặt để nâng cao khả năng chịu<br /> mài mòn của lớp mạ Ni khi làm việc trong môi trƣờng mòn và ăn mòn cao. Kết quả nghiên cứu mạ<br /> composite Al2O3 trên nền Ni chỉ ra rằng mật độ hạt Al2O3 tham gia vào lớp mạ phụ thuộc đáng kể<br /> vào phƣơng pháp khuấy và tốc độ khuấy dung dịch huyền phù. Độ cứng tế vi của lớp mạ<br /> composite tăng khoảng 1,8 lần so với lớp mạ Ni thông thƣờng. Mật độ dòng điện trong quá trình<br /> mạ là một thông số quan trọng ảnh hƣởng đáng kể đến chất lƣợng của lớp mạ.<br /> Từ khóa: Mạ composite; Ni-Al2O3; Ứng dụng mạ composite; Vận tốc khuấy; Độ cứng tế vi<br /> <br /> MỞ ĐẦU<br /> Mạ điện là một phƣơng pháp để tạo ra lớp mạ<br /> composite. Các hạt trung tính không tan trong<br /> dung dịch điện phân đƣợc giữ lơ lửng trong<br /> dung dịch và tham gia vào quá trình hình<br /> thành và phát triển lớp mạ kim loại. Việc đƣa<br /> các hạt trung tính tham gia vào lớp mạ<br /> composite làm thay đổi đáng kể độ cứng, độ<br /> bền của lớp mạ cũng nhƣ làm thay đổi đặc<br /> tính tƣơng tác của lớp mạ với bề mặt đối tiếp<br /> hoặc môi trƣờng xung quanh [1].<br /> Quá trình mạ composite, cụ thể là mạ<br /> composite Al2O3 trên nền Ni đƣợc thực hiện<br /> trong bể mạ điện Ni thông thƣờng. Dung dịch<br /> <br /> mạ đƣợc điều chế từ các hóa chất trong bảng<br /> 1 trong dung môi nƣớc cất. Các hạt trung tính<br /> đƣợc giữ lơ lửng trong dung dịch nhờ thiết bị<br /> khuấy theo sơ đồ nguyên lý trên Hình 1. Cỡ<br /> hạt trung tính thƣờng dƣới 20 µm cho đến<br /> kích thƣớc thang nano. Chiều dày lớp mạ có<br /> thể đạt từ vài µm đến vài trăm µm [1].<br /> Nhóm nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo thành<br /> công hệ thống mạ composite trên nền Ni tại<br /> trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại<br /> học Thái Nguyên. Các kết quả nghiên cứu về<br /> quá trình mạ composite Al2O3 trên nền Ni và<br /> tính chất cơ lý của lớp mạ đƣợc trình bày<br /> trong bài báo này.<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ nguyên lý mạ composite (a) khuấy nhờ bơm tƣới (b) khuấy cơ học<br /> <br /> <br /> Tel: 0912064824; Email: phanqthe@tnut.edu.vn<br /> <br /> 12<br /> <br /> Nguyễn Đăng Bình và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 78(02): 12 - 16<br /> <br /> THÍ NGHIỆM<br /> <br /> Chế độ và quá trình chuẩn bị<br /> <br /> Thiết bị thí nghiệm<br /> Thiết bị mạ composite trên nền Ni do nhóm<br /> nghiên cứu tự thiết kế và chế tạo bao gồm bể<br /> chứa dung dịch điện phân dung tích 60 lít, hệ<br /> thống gia nhiệt tự động đóng ngắt điện có thể<br /> nâng và ổn định nhiệt độ của dung dịch tới<br /> 80C, hệ thống điều khiển tự động cung cấp<br /> dòng một chiều xung hoặc liên tục cho bể mạ,<br /> hệ thống khuấy cơ học có thể điều chỉnh vô<br /> cấp tốc độ khuấy từ 10 v/p đến 350 v/p.<br /> Hóa chất<br /> Các hóa chất sử dụng cho quá trình mạ<br /> composite Ni liệt kê trong bảng 1.<br /> Sodium dodecyl sulfate đƣợc sử dụng là chất<br /> phụ gia để tăng hoạt tính bề mặt của các hạt<br /> trung tính. Hạt trung tính sử dụng trong thí<br /> nghiệm là Al2O3 với cỡ hạt  1 m và hàm<br /> lƣợng Al2O3 là 50g/l. Các hạt có kích thƣớc<br /> không đồng đều do tự vón kết với nhau thành<br /> hạt lớn thể hiện trên ảnh SEM (Hình 2). Các<br /> đỉnh Au trên phân tích EDX là kết quả của mạ<br /> màng Au trên mẫu hạt Al2O3.<br /> <br /> Quá trình mạ đƣợc thực hiện với mật độ dòng<br /> điện 5A/dm2. Độ pH của dung dịch trong<br /> khoảng từ 4  4,5 (độ pH đƣợc điều chỉnh<br /> bằng cách cho thêm NH3 hoặc axit HCl<br /> loãng); nhiệt độ giữ ổn định ở 40C  2C;<br /> tần số xung sử dụng trong thí nghiệm là 200<br /> Hz; tỷ lệ xung thuận/ nghịch là 80%.<br /> Trƣớc khi mạ dung dịch huyền phù đƣợc<br /> khuấy bằng máy khuấy siêu âm SW3H của<br /> Thụy sỹ trong 30 phút, sau đó khuấy cơ học<br /> trong bể mạ trong 6 giờ.<br /> Mẫu mạ composite là thép 09CrSi, tôi đạt độ<br /> cứng HRC = 58-60, dạng hình trụ kích thƣớc<br /> d = 26 mm, h = 10 mm đƣợc đánh bóng, sau<br /> đó làm sạch, rửa trong bể hỗn hợp axít loãng<br /> ở nhiệt độ môi trƣờng trƣớc khi mạ. Trong<br /> quá trình mạ, dung dịch huyền phù đƣợc<br /> khuấy cơ học trong dải tốc độ 140, 175, 210,<br /> 245 v/p trong thời gian 1,5 giờ. Sau khi mạ,<br /> mẫu đƣợc rửa trong nƣớc chảy, sau đó đƣợc<br /> rửa siêu âm trong nƣớc cất khoảng 10 phút.<br /> <br /> Bảng 1. Các loại hóa chất sử dụng cho quá trình mạ composite Ni-Al2O3<br /> <br /> Hóa chất<br /> <br /> NiSO4.6H2O<br /> (g/l)<br /> <br /> NiCl2.6H2O<br /> (g/l)<br /> <br /> H3BO3<br /> (g/l)<br /> <br /> Sodium dodecyl<br /> sulfate (g/l)<br /> <br /> Hàm lƣợng<br /> <br /> 300<br /> <br /> 50<br /> <br /> 40<br /> <br /> 0,1<br /> <br /> Hình 2. Ảnh SEM hạt trung tính Al2O3 sử dụng trong thí nghiệm và thành phần hóa học<br /> qua phân tích EDX<br /> <br /> 13<br /> <br /> Nguyễn Đăng Bình và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM<br /> Chiều dày lớp mạ trên chi tiết đo trên kính<br /> hiển vi quang học đạt đƣợc từ 50m  70 m.<br /> Mẫu đƣợc mài trên giấy nháp cỡ 800, 1000,<br /> 1200 sau đó đánh bóng trên máy đánh bóng<br /> kim loại học của Đài Loan bằng bột kim<br /> cƣơng 1 m sau đó tẩm thực trong dung dịch<br /> Nital 2% trong thời gian 1 phút. Độ cứng tế vi<br /> của lớp mạ đƣợc đo trên máy đo độ cứng tế vi<br /> Future fm 700e của Nhật, tải trọng 10 gram<br /> cho kết quả trên bảng 2.<br /> Từ kết quả đo độ cứng tế vi có thể thấy rằng<br /> độ cứng của lớp mạ composite Ni-Al2O3 phụ<br /> thuộc vào mật độ hạt Al2O3 và mức độ phân<br /> bố đồng đều của các hạt này trong lớp mạ tức<br /> là phụ thuộc vào tốc độ khuấy. Với tốc độ<br /> khuấy 140 v/p độ cứng tế vi của lớp mạ đạt<br /> thấp nhất (HV10=218). Độ cứng tế vi của lớp<br /> mạ composite Ni-Al2O3 tăng đến 273 HV10 ở<br /> tốc độ khuấy 175 v/p và 210 v/p sau đó tăng<br /> đến HV10=303khi tăng tốc độ khuấy đến 245<br /> v/p gấp 1,78 lần độ cứng lớp mạ Ni thông<br /> thƣờng (HV10=170) tại tốc độ khuấy 175 v/p.<br /> Sự tham gia của các hạt trung tính Al2O3 vào<br /> lớp mạ Ni đƣợc xác định trên kính hiển vi<br /> điện tử quét (scanning electron microscopy)<br /> Jeol 5410 LV tại trƣờng Đại học Khoa học Tự<br /> nhiên Hà Nội.<br /> Có thể thấy rằng mật độ các hạt trung tính<br /> Al2O3 tham gia vào lớp mạ Ni trở nên đồng<br /> đều hơn khi tăng tốc độ khuấy từ 140 v/p đến<br /> 245 v/p (hình 3). Hiện tƣợng vón cục thƣờng<br /> xảy ra rõ nét ở tốc độ khuấy thấp. Đây là hiện<br /> tƣợng các hạt Al2O3 liên kết lại với nhau và<br /> tạo thành những mảng cục bộ trong lớp mạ<br /> (Hình 3a). Tại những nơi xảy ra vón cục của<br /> các hạt trung tính độ cứng tế vi giảm rõ rệt.<br /> Kết quả phân tích EDX bề mặt của các lớp mạ<br /> sau khi đƣợc mài, đánh bóng và tẩm thực<br /> khẳng định Al2O3 tham gia vào lớp mạ Ni chỉ<br /> ra trên Hình 4. Thành phần hóa học bề mặt chủ<br /> yếu là Ni, Al2O3 và một hàm lƣợng nhỏ Fe.<br /> <br /> 78(02): 12 - 16<br /> <br /> PHÂN TÍCH KẾT QUẢ<br /> Cơ tính của lớp mạ composite phụ thuộc vào<br /> rất nhiều yếu tố trong quá trình mạ điện. Tuy<br /> nhiên, các thông số về mật độ dòng điện,<br /> nhiệt độ dung dịch điện phân và độ pH nói<br /> chung ít ảnh hƣởng đến sự tham gia của các<br /> hạt trung tính vào lớp mạ nên đƣợc giữ cố<br /> định trong nghiên cứu này.<br /> Mật độ dòng điện có thể là một thông số đƣợc<br /> khảo sát rộng nhất. Ảnh hƣởng của mật độ<br /> dòng điện đến mật độ các hạt tham gia vào<br /> lớp mạ có thể khác nhau. Mật độ dòng điện có<br /> ảnh hƣởng rất ít hoặc gần nhƣ không có ảnh<br /> hƣởng đến số hạt bám vào lớp mạ [2]. Trong<br /> nghiên cứu này, mật độ khi tăng mật độ dòng<br /> điện từ 5 A/dm2 tới 9 A/dm2 bề mặt của lớp<br /> mạ bị rạn nứt và phá hủy nghiêm trọng do<br /> hiệu ứng mũi nhọn trong quá trình mạ. Ảnh<br /> hƣởng của nhiệt độ dƣờng nhƣ khác nhau đối<br /> với các hệ mạ composite. Với hệ Ni-Al2O3,<br /> ảnh hƣởng của nhiệt độ tới phần trăm các hạt<br /> tham gia vào lớp mạ là không đáng kể [2].<br /> Nhiệt độ dung dịch trong thí nghiệm đƣợc giữ<br /> tƣơng đối ổn định tại 40C. Các nghiên cứu<br /> liên quan đến ảnh hƣởng của độ pH cho các<br /> kết quả thống nhất, khi độ pH > 2 ảnh hƣởng<br /> của pH đến mật độ hạt cứng tham gia vào lớp<br /> mạ là không đáng kể, còn ở dƣới giá trị này<br /> số hạt cứng tham gia vào lớp mạ giảm đối với<br /> hệ Ni-Al2O3 [4].<br /> Tốc độ khuấy là thông số đƣợc đặc biệt quan<br /> tâm bởi vì đây là thông số có ảnh hƣởng trực<br /> tiếp đến mức độ tham gia của các hạt vào lớp<br /> mạ. Các hạt trung tính cần đến bề mặt của<br /> cathode để tham gia vào lớp mạ composite<br /> nên phải đƣợc dịch chuyển từ nguồn hạt tới<br /> cathode. Khuấy thúc đẩy sự dịch chuyển các<br /> hạt và tăng khuấy sẽ làm cho nhiều hạt cứng<br /> tham gia vào lớp mạ. Tuy nhiên, tốc độ khuấy<br /> quá cao sẽ giảm các hạt tham gia vào lớp mạ<br /> bởi vì các hạt này sẽ bị văng ra khỏi bề mặt<br /> cathode trƣớc khi chúng đƣợc giữ lại [2, 3].<br /> <br /> Bảng 2. Độ cứng tế vi của lớp mạ phụ thuộc tốc độ khuấy.<br /> <br /> 14<br /> <br /> Lần đo<br /> <br /> Ni<br /> <br /> 1<br /> 2<br /> 3<br /> Trung bình<br /> <br /> 154<br /> 184<br /> 170<br /> 170<br /> <br /> Ni-Al2O3<br /> 140 v/p<br /> 225<br /> 230<br /> 200<br /> 218<br /> <br /> Ni-Al2O3<br /> 175 v/p<br /> 280<br /> 260<br /> 290<br /> 273<br /> <br /> Ni-Al2O3<br /> 210 v/p<br /> 280<br /> 270<br /> 270<br /> 273<br /> <br /> Ni-Al2O3<br /> 245 v/p<br /> 300<br /> 300<br /> 310<br /> 303<br /> <br /> Nguyễn Đăng Bình và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 78(02): 12 - 16<br /> <br /> (a)<br /> <br /> (b)<br /> <br /> (c)<br /> <br /> (d)<br /> <br /> Hình 3. Ảnh SEM thể hiện mức độ tham gia của các hạt Al2O3 vào lớp mạ khi khuấy với tốc độ (a) 140<br /> v/p; (b) 175 v/p; (c) 210 v/p; (d) 245 v/p<br /> <br /> Hình 4. EDS phân tích bề mặt lớp mạ trên hình (b) và (d) cho thấy Ni, Al 2O3 và Fe.<br /> <br /> Đối với hệ Ni-TiO2 ở tốc độ khuấy cao thì<br /> điểm cực đại của thành phần các hạt bám vào<br /> lớp mạ sẽ dịch chuyển về phía mật độ dòng<br /> điện cao [2,3].<br /> Khi thay đổi tốc độ khuấy từ 140 v/p đến 245<br /> v/p mật độ các hạt Al2O3 tham gia vào lớp mạ<br /> tăng lên rõ rệt, hiện tƣợng vón cục giảm đi<br /> <br /> đáng kể. Từ Hình 3a và 3b có thể thấy rõ hiện<br /> tƣợng vón cục xảy ra phổ biến ở tốc độ khuấy<br /> 140 v/p và 175 v/p. Khi tăng tốc độ khuấy<br /> đến 175 v/p và 245 v/p hiện tƣợng này vẫn<br /> còn nhƣng mức độ giảm đi đáng kể (Hình 3c<br /> và 3d). Khuấy với tốc độ cao là nguyên nhân<br /> làm các hạt Al2O3 hạn chế hình thành các<br /> mảng lớn trong dung dịch huyền phù.<br /> 15<br /> <br /> Nguyễn Đăng Bình và cs<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Kết quả phân tích EDX trên Hình 4 cho thấy<br /> sự tham gia của các hạt Al2O3 vào trong lớp<br /> mạ Ni rất rõ nét. Tuy nhiên, trên đồ thị phân<br /> tích cũng xuất hiện nguyên tố Fe nhƣ một tạp<br /> chất bám vào lớp mạ. Đây là vấn đề cần khắc<br /> phục trong quá trình mạ composite Ni-Al2O3,<br /> đó là phải loại triệt để các ion Fe ra khỏi dung<br /> dịch điện phân.<br /> Độ cứng tế vi của lớp mạ hiển nhiên phụ<br /> thuộc vào mật độ hạt Al2O3 tham gia và mức<br /> độ phân bố đồng đều của hạt trong lớp mạ. Ở<br /> tốc độ khuấy thấp mức độ các hạt tham gia và<br /> phân bố đồng đều vào lớp mạ hạn chế hơn so<br /> với khuấy ở tốc độ cao. Tuy nhiên, ở tốc độ<br /> khuấy 140 v/p độ cứng tế vi của lớp mạ chỉ<br /> đạt HV10=218 so với HV10=273ở tốc độ<br /> khuấy 175 v/p và 210 v/p và HV10=303 tại<br /> tốc độ khuấy 245 v/p điều này đƣợc giải thích<br /> là do hiện tƣợng vón cục của các hạt Al2O3 ở<br /> tốc độ khuấy thấp làm giảm độ cứng tế vi của<br /> lớp mạ [2].<br /> Từ các phân tích trên có thể thấy tốc độ khuấy<br /> 245 v/p vừa cho mật độ các hạt trung tính<br /> trong lớp mạ cao vừa cho độ cứng tế vi của<br /> lớp mạ cao nhất. Đây là tốc độ khuấy nên lựa<br /> chọn để tạo thành lớp mạ composite Ni-Al2O3<br /> có khả năng chịu ăn mòn và mòn đồng thời.<br /> KẾT LUẬN<br /> Hệ thống mạ do trƣờng Đại học Kỹ thuật<br /> Công nghiệp tự thiết kế và chế tạo cho phép<br /> <br /> 78(02): 12 - 16<br /> <br /> thực hiện thành công mạ composite Al2O3<br /> trên nền Ni. Kết quả nghiên cứu ban đầu cho<br /> thấy mật độ các hạt tham gia vào lớp mạ tăng<br /> đáng kể và trở nên đồng đều hơn khi tăng tốc<br /> độ khuấy từ 140 v/p đến 245 v/p. Độ cứng tế<br /> vi của lớp mạ cao gấp 1,8 lần so với độ cứng<br /> tế vi của lớp mạ Ni thông thƣờng tại tốc độ<br /> khuấy 235 v/p. Khi tăng vận tốc khuấy hiện<br /> tƣợng vón cục giảm đáng kể là nguyên nhân<br /> chính làm tăng độ cứng tế vi của lớp mạ. Mật<br /> độ dòng điện sử dụng không nên lớn hơn 5<br /> A/dm2 để giữ cho lớp mạ không bị rạn nứt.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1. Benea. L, Varsanyi. M. L, Maurin. G.,<br /> “The Electrolytic Co-deposition of Zerconium<br /> Oxide Particles with Nikel”, the Annal of<br /> University of Galaty, (2003).<br /> 2.<br /> Hovestad.<br /> A,<br /> Janssen.<br /> L.J.J.,<br /> “Electrochemical Co-deposition of Inert<br /> Particles in a Metallic Matrix”, Journal of<br /> Applied Electrochemistry, Vol. 25, pp. 519527, (1995).<br /> 3. Shi. L, Sun. C, Gao. P., “Mechanical<br /> Properties and Wear and Corrosion<br /> Resistance of Electrodeposited Ni-Co/SiC<br /> Nanocomposite Coatings”, Applied Surface<br /> Science, Vol. 252, pp.3591-3599, (2006).<br /> 4. Indira Rajagopal., “Composite Coatings”,<br /> Surface Modification Technologies” Marcel<br /> Dekker, Inc, New York, 1989.<br /> <br /> ABSTRACT<br /> Ni-Al2O3 COMPOSITE COATINGS IS A TECHNICAL SOLUTION<br /> TO ENHANCE THE WEAR RESISTANCE OF THE Ni COATING<br /> Nguyen Dang Binh, Phan Quang The, Tran Minh Đuc<br /> Thai Nguyen University of Technology - TNU<br /> <br /> Al2O3 composite coatings is a surface advanced technology to enhance the wear resistance of Ni<br /> plating coatings in the environment of high wear and corrosion. The studying result of the NiAl2O3 composite coatings was evident that the density of Al2O3 particles in Ni matrix depends<br /> considerably on the mixing method and the mixing velocity for the electrolyzing solution. The<br /> micro-hardness of the coating layer is approximately 1,8 times higher than that of the Ni normal<br /> electroplating layer. The current density is an important parameter effecting on the quality of the<br /> coating layer.<br /> Keyword: Composite Coating; Ni-Al2O3; Composite Application; Mixing velocity; Microhardness<br /> <br /> <br /> Tel: 0912064824; Email: phanqthe@tnut.edu.vn<br /> <br /> 16<br /> <br />